近年來180°電機(jī)控制因其節(jié)能、靜音及低顫動(dòng)而得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，尤其在家電領(lǐng)域里，如油煙機(jī)、冰箱、空調(diào)及洗衣機(jī)等。瑞薩電子目前推出了一系列變頻控制專用的8位MCU，本文主要介紹瑞薩電子8位MCU――uPD78F0712的主要特點(diǎn)及基于該MCU的家電風(fēng)機(jī)解決方案。
1. 180°控制的應(yīng)用場(chǎng)合及特點(diǎn)
目前市場(chǎng)上對(duì)于家用電器如熱水器、油煙機(jī)等一般要求其具有低噪聲、低損耗、省電節(jié)能的特征，因此，類似的這些場(chǎng)合并不適宜使用變頻器驅(qū)動(dòng)的交流異步電機(jī)，而適合使用小功率無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
無刷直流電機(jī)分為方波控制(120°控制)的BLDC和正弦波控制(180°控制)的PMSM永磁同步電機(jī)。下表是各個(gè)電機(jī)控制特點(diǎn)比較：
表1 電機(jī)控制特點(diǎn)
由上表可以看出，在小功率電機(jī)范圍內(nèi)，180°電機(jī)控制具有噪聲低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。
目前市場(chǎng)上最先進(jìn)的180°控制技術(shù)是基于磁場(chǎng)定向矢量的變頻技術(shù)，F(xiàn)OC(磁場(chǎng)定向)矢量控制算法產(chǎn)生矢量形式相電壓，用來控制定子電流，其控制原理是通過一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制，可以在不產(chǎn)生大流的情況下實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2.180°電機(jī)控制在家電上的應(yīng)用
① 油煙機(jī)
目前，市場(chǎng)上比較常見的是有檔位變頻油煙機(jī)，只有少部分的油煙機(jī)廠商開始采用180°電機(jī)控制的無檔位變頻油煙機(jī)。
相對(duì)于其他類型的變頻油煙機(jī)，180°變頻油煙機(jī)有以下特點(diǎn)：
1)可根據(jù)傳感器識(shí)別有無油煙，智能啟動(dòng)和停止油煙機(jī)的抽吸，無需手動(dòng)操作;
2)在炒、煎、炸時(shí)可根據(jù)油煙量的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)油煙機(jī)風(fēng)量;
3)在燉、煲、蒸、煮時(shí)，自動(dòng)調(diào)小抽吸速度，降低耗電量;
4)靜音。讓用戶感覺不到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音;5)較小體積的電機(jī)使得油煙機(jī)體積更小。
②熱水器
傳統(tǒng)家用快速燃?xì)鉄崴鳛榱颂岣哂脩羰褂玫陌踩裕F(xiàn)在多為封閉式燃燒的強(qiáng)排風(fēng)熱水器，內(nèi)設(shè)鼓風(fēng)裝置，工作聲響大;此外，由于燃器壓力不適或設(shè)置不當(dāng)，經(jīng)常出現(xiàn)水不熱或水太燙，有時(shí)在洗澡的過程也會(huì)出現(xiàn)忽冷忽熱等不適。
180°變頻燃?xì)鉄崴鞯碾姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是按機(jī)器的實(shí)際輸出熱負(fù)荷來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，出水溫度比較恒定，無需自己手動(dòng)調(diào)整加熱速度，180°永磁同步電機(jī)較交流異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音也相對(duì)較輕。
③空氣凈化器
市面上普通的空氣凈化器存在噪聲大，長(zhǎng)時(shí)間開啟比較耗電的問題。在成本相同的情況下，180°變頻空氣凈化器馬達(dá)噪聲低，而且會(huì)自動(dòng)根據(jù)傳感器感知空氣潔凈度，調(diào)節(jié)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)凈化，節(jié)電運(yùn)行，節(jié)省電能。
相比之下，不難看出180度電機(jī)控制的前景比較好，盡管變頻電機(jī)控制成本比較高，但是它的高性能、靜音、低損耗，為它的有利推廣提供保駕護(hù)航的條件，越來越多的家電制造商，開始關(guān)注和投資180°電機(jī)控制，用以提高家電電器效率和降低噪音。
3.瑞薩電子(Renesas Electronics) 8位MCU促進(jìn)馬達(dá)設(shè)計(jì)
180°變頻馬達(dá)里對(duì)電機(jī)采用的是矢量控制來達(dá)到變頻目的，因此，對(duì)MCU的要求高，如油煙機(jī)、熱水器、空氣凈化器等需要更多的附屬功能如液晶顯示、延時(shí)控制等，MCU還需要一些特有的外設(shè)如串行通信、強(qiáng)大的定時(shí)器等。
瑞薩電子為電機(jī)控制開發(fā)了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。該系列產(chǎn)品集成了內(nèi)部硬件乘法器、定時(shí)器、多個(gè)通用寄存器、可編程脈沖發(fā)生器、獨(dú)立的變頻控制模塊，專用于電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)使其更適合中小功率的180°變頻電機(jī)。
在180°變頻電機(jī)控制算法中要用到坐標(biāo)變換及逆變換、乘法運(yùn)算和大量的循環(huán)控制，因此需求MCU的速度要快，瑞薩電子8位MCU的硬件乘法/除法器都能夠快速進(jìn)行FOC矢量控制運(yùn)算，及PID跌代、坐標(biāo)變換。
該系列8位MCU有6個(gè)外部中斷，能夠快速響應(yīng)外部中斷，如傳感器的反饋信息等，極大的降低了電機(jī)控制方案的成本，它有32個(gè)8位(或16個(gè)16位)Bank結(jié)構(gòu)的通用寄存器，使得運(yùn)行效率更高。
180°變頻電機(jī)一般用于中高檔的家用電器中，瑞薩電子8位MCU可編程脈沖發(fā)生器(PPG)能指定脈沖寬度和脈沖周期，這可直接用于家電風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量顯示，同時(shí)MCU提供在線自編程功能，還有這些MCU無需外部EEPROM，它自身的已經(jīng)夠用。
此外，瑞薩電子的這些8位MCU 帶有2個(gè)專用變頻控制模塊，可以在PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生中斷，可根據(jù)用戶需求在任意時(shí)刻對(duì)電流進(jìn)行采樣;可用于控制PWM高阻態(tài)輸出的外部信號(hào)輸入，可以在非正常情況下快速停止風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng);另外還帶有可編程死區(qū)控制(死區(qū)時(shí)間范圍：0.1 s～25.6 s)。
圖2顯示了8位變頻控制MCU的主要特點(diǎn)，表2則這些功能給出了詳細(xì)說明。
圖2 瑞薩電子的MCU特點(diǎn)
表2 變頻控制用的8位MCU特點(diǎn)
瑞薩電子180°變頻電機(jī)控制方案
瑞薩電子(Renesas Electronics)開發(fā)了一套基于8位MCU uPD78F071x的特有的功能的
180°矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統(tǒng)構(gòu)成。
圖2 HS/DC-8系統(tǒng)構(gòu)成
HS/DC-8利用8位MCU的特有的硬件功能來實(shí)現(xiàn)180°矢量控制(FOC)，通過反饋速度計(jì)算出矢量控制的PWM占空比的值，用空間矢量PWM(SVPWM)輸出驅(qū)動(dòng)功率模塊，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋采用霍爾傳感器。
HS/DC-8驅(qū)動(dòng)器適用于額定容量為20W~1KW小功率電機(jī)，6~120Hz的電氣角頻率，永磁磁通0.5Wb以下。
相比其他半導(dǎo)體廠商MCU HS/DC-8的馬達(dá)控制方案具有以下優(yōu)勢(shì)：
? 低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)兩相調(diào)制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開關(guān)管損耗降低30%左右，從而延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器壽命
? 高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實(shí)現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動(dòng)相位控制，確保馬達(dá)電流始終保持在最小值進(jìn)行自動(dòng)控制
? 豐富的保護(hù)和定制功能，依賴于MCU中強(qiáng)大的定時(shí)器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區(qū)保護(hù)、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數(shù)的選定、PWM初始化異常檢測(cè)、過壓保護(hù)等
? 低成本，8位MCU節(jié)省外部的EEPROM和內(nèi)部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低